¿Ejecutar un programa sobre mecánica cuántica en una computadora cuántica cuenta como un experimento o una simulación?

El concepto de simulación y experimento no son mutuamente excluyentes: cuando un biólogo realiza un experimento de bioquímica o biología molecular en un laboratorio, también está simulando un proceso que ocurre en la naturaleza. Un ingeniero de materiales que realiza pruebas de esfuerzo en una nueva aleación en el laboratorio está simulando las condiciones que soportará esta aleación cuando se use para construir un puente o un avión. Esto se aplica a casi cualquier ciencia física en la que los investigadores intenten replicar las condiciones del mundo real en un entorno de laboratorio. Por lo tanto, en general, algo puede y, a menudo, cuenta tanto como un experimento como una simulación. Debe distinguir entre la simulación en general, que se superpone con la experimentación, y la simulación por computadora, que es una herramienta matemática para realizar cálculos basados ​​en modelos teóricos.

Para responder a su pregunta específica sobre las computadoras cuánticas: Richard Feynman cuando propuso originalmente las computadoras cuánticas en 1981, indicó claramente que serían simuladores cuánticos universales , consulte la Sección 4 de su artículo sobre la charla (Feynman, RP "Simulating Physics with Computers" - Revista Internacional de Física Teórica, Vol. 21, Nos. 6/7, 1982) .

Volviendo a la cuestión más amplia de las simulaciones por computadora: el valor epistémico de las simulaciones por computadora no proviene del hecho de que sean procesos físicos. Las simulaciones por computadora son una herramienta para resolver problemas matemáticos. Ya hemos asumido que un fenómeno dado del mundo real está representado con precisión por un modelo teórico/matemático dado, ahora solo estamos usando la computadora para realizar los cálculos basados ​​en el modelo, presumiblemente porque son demasiado complejos para realizarlos a mano.

La SEP tiene un artículo bastante bueno sobre la epistemología de las simulaciones por computadora .

No puedo ver cómo hay algún debate sobre simulación versus experimento, especialmente si la simulación se ejecuta en una computadora.

¿Consideras calcular el peso de una hoja de papel al escribir una simulación o un experimento? ¿O qué tal si haces algo más complejo, como resolver un conjunto de ecuaciones diferenciales para calcular la energía necesaria para hacer un pliegue en el papel, también usando lápiz y papel? (Similar al comentario de @Alpha sobre simulaciones electrónicas por computadora, pero aún más fundamental y cercano a la persona que hace la pregunta)

Hacemos experimentos para obtener conocimiento del funcionamiento subyacente de un sistema. Con este conocimiento podemos construir modelos matemáticos que representen el sistema con un cierto grado deseado de precisión y detalle.

Estos modelos se programan en una computadora para ejecutar simulaciones y extrapolar un resultado posible en función de las condiciones de contorno ingresadas por un usuario. Para verificar los resultados de la computadora, es ambiguo decir que ejecutó dos simulaciones y los resultados son los mismos, por lo que es correcto. Debe verificar los resultados haciendo pruebas (experimentos) en la situación de la vida real.

Puedes hacer tantas simulaciones de mecánica cuántica en una computadora cuántica como quieras, las simulaciones nunca te darán un conocimiento más fundamental sobre un sistema que el que le das.

Los científicos utilizaron la simulación para postular la existencia del bosón de Higg, pero solo hasta que hicieron un experimento en el Gran Colisionador de Hadrones, lo encontraron físicamente y así pudieron confirmar que sus modelos matemáticos eran realmente correctos, pero hasta ese momento todo era solo especulación. , sin importar lo que digan las simulaciones.

Cuando se trata del debate entre simulación y experimento, algunos defensores de las simulaciones argumentan que tienen el mismo valor epistémico porque las simulaciones por computadora son procesos físicos que ocurren dentro de una computadora.

Eres un sistema físico, así que cuando piensas en algo, es un proceso físico que ocurre en tu cerebro. Entonces, ¿pensar en algo debería contar como un experimento? Algo ha ido bastante mal aquí.

Llevando este argumento más allá con la mecánica cuántica, ¿podría decirse que simular la mecánica cuántica usando una computadora cuántica, que opera usando la mecánica cuántica, podría considerarse un experimento? En ese caso, ¿no tendría el mismo valor epistémico que hacer un experimento en algún laboratorio de física?

El objetivo de un experimento es probar una teoría. Si haces un experimento y tu teoría predice el resultado X y no obtienes ese resultado, entonces tu teoría está en problemas. O hiciste mal el experimento, o malinterpretaste el resultado, o la teoría está mal.

Para hacer una simulación, debe adivinar la ecuación de movimiento para el sistema relevante. Luego, debe crear un programa para calcular la evolución bajo esa ecuación de movimiento con el conjunto relevante de condiciones iniciales. Una vez que haya hecho eso, una computadora universal adecuada puede simular el sistema que le interesa con cualquier grado de precisión deseado. Y no solo puede programarlo para producir el resultado final correcto, sino que también puede simular todas las etapas intermedias entre las condiciones iniciales y el resultado final con cualquier grado de precisión deseado.

Por lo tanto, la simulación le permite calcular las consecuencias de adivinar la ecuación de movimiento de un sistema en casos en los que no podría resolverlo usted mismo. La simulación produce predicciones que se pueden probar con el sistema real. Por lo tanto, ejecutar la simulación no es lo mismo que hacer el experimento, ya que el objetivo del experimento es probar si tiene razón sobre la ecuación de movimiento conjeturada, y una simulación no puede hacer eso.

La línea real en la arena probablemente varía de un individuo a otro, por lo que no esperaría una sola respuesta. Sin embargo, como alguien que hace mucho con simulaciones, dibujaría la línea así:

En una simulación, tienes toda la información necesaria para conocer el resultado final. Puede que no esté en una forma conveniente. Es posible que deba ejecutarlo a través de unos pocos billones de transistores para obtener una forma legible, pero no se genera nueva información en el proceso de simulación en sí. Simplemente está extrayendo valor de la información existente. Las únicas veces que los resultados de la simulación lo "sorprenden", dando la apariencia de nueva información, es cuando las entradas a la simulación contenían información que no había procesado por completo.

Por el contrario, veo un experimento como algo que tiene el potencial de revelar nueva información que no tenías. La información que define el resultado aún no ha sido capturada. Por lo general, hay un componente físico aquí, en el sentido de que no todo el resultado del experimento se ha puesto en forma de información.

A partir de este enfoque en la "información", diría que depende del programa cuántico que ejecute. Si el programa cuántico que ejecuta está escrito explícitamente de modo que los efectos cuánticos no son importantes para el resultado final, lo llamaría una simulación. Sin embargo, si el programa cuántico está escrito de manera que los efectos cuánticos en la implementación afecten la salida de manera significativa, puede ser un experimento.

La línea que elijo dibujar está muy relacionada con la diferencia entre sintaxis y semántica. Si se puede llegar al resultado únicamente a través de la sintaxis de la información y los procesos que manipulan esa información, tiendo a pensar en ello como una simulación. Si el resultado solo puede derivarse de la semántica de las entradas y el proceso, como los comportamientos particulares de este dispositivo en particular bajo prueba, lo llamo más un experimento.

Tanto las simulaciones como los experimentos ejemplifican ideas. Una simulación puede instanciar cualquier idea en cualquier sustrato, mientras que un experimento debe instanciar un tipo particular de idea, una explicación o conjetura propuesta, en una forma particular, una que se cree que cambiará nuestra creencia en esa explicación o conjetura propuesta.

Ejecutar un programa sobre algún aspecto de la mecánica cuántica en cualquier lugar (computadora cuántica o no) que cumpla con estos requisitos constituye un experimento.